兩個(gè)“全過程”與材料

北京航空材料研究院研究員、中國(guó)工程院院士 趙振業(yè)

兩個(gè)“全過程”與材料

北京航空材料研究院研究員、中國(guó)工程院院士 趙振業(yè)

一、材料科學(xué)與工程

從石材、木材、鐵材到復(fù)合材料，材料發(fā)展走過了千萬年歷史，材料伴隨和推動(dòng)人類文明進(jìn)程。材料是一個(gè)活躍而無止境的領(lǐng)域，極大地推動(dòng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展。材料屬于應(yīng)用科學(xué)范疇，其目標(biāo)在于形成有價(jià)值的形式。先進(jìn)材料屬于科學(xué)前沿，其實(shí)驗(yàn)和理論都達(dá)到了很高的水平，先進(jìn)材料具有“極限”性能特征，并成為制約多種科學(xué)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的重要因素。

在上個(gè)世紀(jì)50～60年代形成的“材料科學(xué)與工程”是材料發(fā)展史上的一件大事，它填補(bǔ)了理論科學(xué)與工程技術(shù)間的鴻溝、彌合了理論科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)業(yè)間的脫節(jié)，結(jié)束了材料發(fā)展的混沌狀態(tài)，遂后又發(fā)展了“四要素”，即成分（組成）與結(jié)構(gòu)，合成與加工，性質(zhì)，服役行為，如圖1所示。材料科學(xué)與工程推動(dòng)了材料大發(fā)展。如今使用和發(fā)展的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、納米材料、超（負(fù)）材料等新型材料彰顯了“材料科學(xué)與工程”的無比創(chuàng)造力。材料研究的目的全在于應(yīng)用。先進(jìn)材料研究與發(fā)展都具有強(qiáng)烈的應(yīng)用背景，明確的性能指標(biāo)，適宜的使用模式，成為一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)體系?！安牧峡茖W(xué)與工程”創(chuàng)造著無與倫比的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

二、兩個(gè)“全過程”

科學(xué)認(rèn)識(shí)論認(rèn)為，人類在認(rèn)識(shí)客觀世界中，總是要經(jīng)過實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐——再認(rèn)識(shí)這一認(rèn)識(shí)單元的反復(fù)，才能到達(dá)相對(duì)的真理。認(rèn)識(shí)的目的在于改造客觀世界?！安牧峡茖W(xué)與工程”發(fā)展中，也要經(jīng)過理論——材料——再理論——再材料認(rèn)識(shí)單元的反復(fù)，才能獲得相對(duì)的真知，即先進(jìn)材料。這一認(rèn)識(shí)單元由應(yīng)用基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)、工程化生產(chǎn)、失效反饋等四個(gè)要素組成，稱謂“全過程”，如圖2所示。

其實(shí)，材料科學(xué)與工程“全過程”由兩個(gè)“全過程”組成，即“材料研制全過程”和“材料應(yīng)用研究全過程”，如圖3所示。兩個(gè)“全過程”的形式完全相同，但四要素的內(nèi)涵完全不同。

“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”是指直接導(dǎo)向技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)理論，如圖4所示。應(yīng)用基礎(chǔ)理論是材料技術(shù)及材料應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新的向?qū)В瑳]有應(yīng)用基礎(chǔ)理論就不會(huì)有技術(shù)創(chuàng)新，誰掌握了應(yīng)用基礎(chǔ)理論，誰就有可能創(chuàng)新先進(jìn)材料。比如，在“材料研制全過程”中，創(chuàng)新高強(qiáng)度合金，首先必須先掌握相變強(qiáng)化機(jī)理、沉淀硬化機(jī)理；創(chuàng)新復(fù)合材料必須掌握相關(guān)的界面機(jī)理，而要?jiǎng)?chuàng)新高溫合金，必須掌握蠕變機(jī)理等。在“材料應(yīng)用研究全過程”中，創(chuàng)新抗疲勞應(yīng)用技術(shù)，必須掌握抗疲勞機(jī)理等等。

“應(yīng)用技術(shù)”指的是研究的技術(shù)主體，即“材料研制全過程”中的“材料技術(shù)”，“材料應(yīng)用研究全過程”中的“材料應(yīng)用技術(shù)”，如圖5所示。它們的內(nèi)涵是材料科學(xué)與工程的“四要素”，即成分、組成與結(jié)構(gòu)，合成與制備加工，性質(zhì)與服役行為。當(dāng)然，材料技術(shù)與材料應(yīng)用技術(shù)的“四要素”的名稱雖然相同，但內(nèi)涵卻是完全不同的。比如，“材料研制全過程”中的“制備加工”要素指的是合金的熔煉、熱加工成材技術(shù)；在“材料應(yīng)用研究全過程”中，“制備加工”要素指的是合金的噴丸、離子注入等表面強(qiáng)化技術(shù)。“材料研制全過程”要做出具體的材料，“材料應(yīng)用研究全過程”則是作出把材料變成高性能構(gòu)件的應(yīng)用技術(shù)體系。

“工程化生產(chǎn)”指的是批量生產(chǎn)技術(shù)，如圖6所示。它有兩項(xiàng)指標(biāo)，一是將實(shí)驗(yàn)室研究的“應(yīng)用技術(shù)”轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)技術(shù)，一是形成有高附加值的形式。二者舍一不能達(dá)到研究目標(biāo)。在“材料研制全過程”中，“工程化生產(chǎn)”指的是能生產(chǎn)出有高附加值的材料的批量生產(chǎn)技術(shù)；在“材料應(yīng)用研究全過程”中，“工程化生產(chǎn)”指的是能生產(chǎn)出有高附加值構(gòu)件批量生產(chǎn)技術(shù)。工程化生產(chǎn)是對(duì)“應(yīng)用技術(shù)”的評(píng)價(jià)，不能生產(chǎn)出有高附加值材料或構(gòu)件的批量生產(chǎn)技術(shù)是無用的，必須返回到“應(yīng)用技術(shù)”階段再研究。實(shí)踐中確不少材料或材料應(yīng)用技術(shù)“創(chuàng)新”，但一經(jīng)工程化生產(chǎn)就不得不返回實(shí)驗(yàn)室重新研究。也確有不少材料或材料應(yīng)用技術(shù)用于生產(chǎn)，但在產(chǎn)品上留下一堆問題，甚至終身不得解決。正是這樣的教訓(xùn)證明了建立兩個(gè)“全過程”新概念的重要性和必要性?！肮こ袒a(chǎn)”有其判定指標(biāo)，包括性能穩(wěn)定、批次一致、數(shù)據(jù)齊全、價(jià)格低廉等。不難看出，這是一些批量生產(chǎn)中才能獲取的結(jié)果。但現(xiàn)在一些工程技術(shù)中心設(shè)立在高校或研究機(jī)構(gòu)內(nèi)，那里沒有工程化生產(chǎn)實(shí)踐，何以創(chuàng)新工程化生產(chǎn)技術(shù)？

“失效反饋”是“工程化生產(chǎn)”的評(píng)價(jià)和“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”的驗(yàn)證，如圖7所示。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。如果形成的材料和材料應(yīng)用技術(shù)做出的構(gòu)件服役失效機(jī)理與賴以設(shè)計(jì)材料和材料應(yīng)用技術(shù)的“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”相一致，表明材料科學(xué)與工程的“全過程”認(rèn)識(shí)單元完成，獲得了相對(duì)的真知——可用可靠的材料。否則，只能修正“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”，重新走認(rèn)識(shí)單元的“全過程”?！笆Х答仭笔且粋€(gè)極為重要的要素和環(huán)節(jié)，但在材料研究發(fā)展中尚未給予足夠的重視，甚之常被遺忘。在高等學(xué)校中很少設(shè)有失效專業(yè)和課程，學(xué)生學(xué)到的是不完整的知識(shí)。

在現(xiàn)實(shí)研究中，因未實(shí)施全過程研究而不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，半途而廢的材料不在少數(shù)。

兩個(gè)“全過程”是一個(gè)不可分割的整體?！安牧涎兄迫^程”賦予材料先天性能，即高強(qiáng)度材料、高溫材料、復(fù)合材料、高分子材料或功能材料、電子材料的固有性能，如同生男生女。“材料應(yīng)用研究全過程”賦予材料后天性能。最明顯的例證就是齒輪軸承鋼材料研制賦予其基本性能，但齒輪軸承用的不是材料本身，而是經(jīng)表層硬化后的硬化層。所以，必須進(jìn)行表層硬化這一材料應(yīng)用技術(shù)研究，賦予其高硬度這一后天性能。否則，齒輪軸承鋼便不能用作齒輪或軸承。如同不論男生或女生，不培養(yǎng)教育好都不能成才。另一個(gè)例證是材料應(yīng)用技術(shù)將超高強(qiáng)度鋼300M的疲勞強(qiáng)度提高了37%，將7475-T6高強(qiáng)度鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率改善了1500倍。但是人們?cè)?jīng)花了30多年時(shí)間把結(jié)構(gòu)鋼從高強(qiáng)度鋼30CrMnSiA發(fā)展至30CrMnSiNi2A,再發(fā)展到超高強(qiáng)度鋼300M，整個(gè)體系的疲勞強(qiáng)度僅提高36%。試問為什么要花那么大的人力、物力和那么長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)展幾個(gè)材料牌號(hào)，而不畢其功于簡(jiǎn)單的“材料應(yīng)用研究”一役呢？從低強(qiáng)度合金2024到高強(qiáng)度合金7475，再到超高強(qiáng)度合金7055，再到損傷容限合金2524，幾十年過去了，而整個(gè)體系改善疲勞裂紋擴(kuò)展速率的效果與1500倍相去甚遠(yuǎn)。但國(guó)內(nèi)外還在研究發(fā)展損傷容限高強(qiáng)度鋁合金。

從上述例證可以看到“材料應(yīng)用研究”帶給材料多么高的后天性能，甚至是“材料研制”所不能實(shí)現(xiàn)的。從而不難得出結(jié)論，與“材料研制全過程”一樣，“材料應(yīng)用研究全過程”是“材料科學(xué)與工程”不可或缺的一部分。兩個(gè)“全過程”共同構(gòu)成“材料科學(xué)與工程”，如同鳥的兩翼，人的雙手一樣相輔相成，形成可用可靠材料。但是，在現(xiàn)實(shí)研究中，因未實(shí)施兩個(gè)“全過程”研究而不能適應(yīng)服役環(huán)境，已制成構(gòu)件用于裝備，不得不更換材料或造成極大損失的現(xiàn)象卻屢見不鮮。

材料先天性能加上后天性能才是構(gòu)件的服役性能?！安牧涎兄啤迸c“材料應(yīng)用研究”兩個(gè)“全過程”合二而一提高構(gòu)件服役性能效果極為顯著。飛機(jī)起落架是一個(gè)疲勞性能要求很高的構(gòu)件。上個(gè)世紀(jì)60～80年代，我國(guó)戰(zhàn)機(jī)起落架技術(shù)落后，壽命短、可靠性差。某起落架用超高強(qiáng)度鋼制造，設(shè)計(jì)壽命3000Fh，但25年中多次試驗(yàn)，沒有一次達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。暫定200Fh壽命，服役中不穩(wěn)定，最短不足80Fh便產(chǎn)生裂紋。經(jīng)“材料研制”獲得300M鋼，具有超高強(qiáng)度、高韌性、高疲勞強(qiáng)度，但疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中敏感的先天性能，再經(jīng)“材料應(yīng)用研究”，創(chuàng)新10多種抗疲勞應(yīng)用技術(shù)，獲得了高疲勞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感性被抑制的后天性能。用300M鋼和抗疲勞應(yīng)用技術(shù)體系制造該起落架，疲勞壽命一舉達(dá)到3000Fh未失效，我國(guó)戰(zhàn)機(jī)起落架首次實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)機(jī)體同壽命。繼續(xù)試驗(yàn)達(dá)到5000Fh仍不失效，第一次達(dá)到美國(guó)F-15、F-16飛機(jī)同一300M鋼制起落架5000Fh世界最高規(guī)定壽命。增載30%后繼續(xù)試驗(yàn)至6000Fh仍未失效。從1991年起落架裝機(jī)服役至今無一故障。10多種型號(hào)飛機(jī)起落架服役，至今無一故障。壽命與可靠性都達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。圖8表示，高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng)度和高溫合金鋼都具有疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感的先天性能弱點(diǎn)，采用抗疲勞應(yīng)用技術(shù)抑制了這一敏感性，回復(fù)到了各自的固有疲勞強(qiáng)度，甚至更高的后天性能，如圖8所示。

兩個(gè)“全過程”是材料科學(xué)與工程中的一個(gè)基本規(guī)律。不僅適用超高強(qiáng)度鋼、鋁合金，也適應(yīng)高溫合金、復(fù)合材料、高分子材料、功能材料和電子材料等。當(dāng)前應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)“材料應(yīng)用研究全過程”，因?yàn)樗€沒有被充分認(rèn)識(shí)和實(shí)行，兩個(gè)“全過程”尚處于隔離或脫節(jié)狀態(tài)，而且有大量問題急待解決。

如前所述，先進(jìn)材料研究發(fā)展都有一個(gè)確定的性能指標(biāo)。如渦輪葉片用高溫合金，研究發(fā)展時(shí)規(guī)定有耐高溫、持久、蠕變、抗氧化等指標(biāo)，“材料研制”會(huì)達(dá)到這些指標(biāo)。渦輪葉片服役時(shí)，葉身上部溫度高達(dá)1000℃，合金上述性能確實(shí)可以保證服役安全。但是葉身下半部溫度可下降到750℃，該溫度下合金的失效機(jī)理不再是蠕變而是蠕變——疲勞；到了葉片榫頭部位，溫度可降至650℃以下，該溫度下合金的失效機(jī)理不再是蠕變——疲勞而是疲勞——蠕變或疲勞。如果不進(jìn)行“材料應(yīng)用研究”賦予其抗蠕變——疲勞、疲勞——蠕變和疲勞的后天性能，便不能保證葉片服役安全。事實(shí)上，渦輪葉片頻發(fā)故障就多來自疲勞——蠕變或疲勞。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是個(gè)混合體，準(zhǔn)各向同性材料，要保障承受多向載荷的主承力構(gòu)件長(zhǎng)壽命和服役安全，不賦予后天性能是難以實(shí)現(xiàn)的。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，硬顆粒均勻分布于基體。到達(dá)構(gòu)件表面的顆粒無疑是一個(gè)高應(yīng)力集中區(qū)，并導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度劇烈降低，用什么應(yīng)用技術(shù)予以補(bǔ)強(qiáng)？陶瓷、碳——碳復(fù)合材料幾乎是脆性材料，但它們是未來發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、葉——盤、葉——環(huán)材料，如不實(shí)現(xiàn)“材料應(yīng)用研究全過程”，如何滿足服役要求？

功能材料、電子材料、高分子材料又靠什么應(yīng)用技術(shù)保證由它們制成的元器件服役安全和長(zhǎng)壽命？

三、實(shí)踐兩個(gè)“全過程”

如今，材料科學(xué)與工程發(fā)展到了一個(gè)新階段。不僅行成了包括理論科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)、工程科學(xué)體系，材料具有或已在追求其極限性能，而且制約廣大科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。先進(jìn)材料需要突破新的領(lǐng)域，履行其新責(zé)任。人類千萬年來向其賴以生存的地球無限制地索取，無異于毀壞自己的家園。材料科學(xué)與工程肩負(fù)著改索取為反哺，改污染為變廢為寶的歷史使命，面臨著認(rèn)識(shí)新興科學(xué)前沿，開拓新的科學(xué)研究模式，以創(chuàng)新材料、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。但是，當(dāng)前兩個(gè)“全過程”分割，認(rèn)識(shí)的偏跛與實(shí)踐的脫節(jié)，正在制約材料科學(xué)與工程的創(chuàng)新發(fā)展。這一狀況與“材料科學(xué)與工程”形成前材料科學(xué)與工程技術(shù)脫節(jié)的狀況十分相似。因此，迎接這一挑戰(zhàn)，最需要的是彌合當(dāng)前兩個(gè)“全過程”的隔離與脫節(jié)，強(qiáng)調(diào) “材料應(yīng)用研究全過程”，建立材料科學(xué)與工程的兩個(gè)“全過程”概念，實(shí)踐兩個(gè)“全過程”。可以預(yù)期，兩個(gè)“全過程”一定如同半個(gè)世紀(jì)前形成“材料科學(xué)與工程”一樣，把先進(jìn)材料推進(jìn)到新一輪的大發(fā)展。

趙振業(yè) 金屬材料學(xué)家，1937年生，北京航空材料研究院研究員，中國(guó)工程院院士,北京航空航天學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)航空學(xué)會(huì)材料工程分會(huì)名譽(yù)主任委員。

50年來一直從事航空超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用基礎(chǔ)理論、合金設(shè)計(jì)和應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究。主持研制成功300M鋼，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)起落架6000飛行小時(shí)不失效,達(dá)到并超過國(guó)外5000飛行小時(shí)最高規(guī)定壽命,廣泛應(yīng)用20年來無一故障，獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。發(fā)明我國(guó)第一個(gè)航空中溫超高強(qiáng)度鋼38Cr2Mo2VA、第一個(gè)12%Cr型馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼GX-8，率先將不銹鋼、不銹齒輪軸承鋼提升到超高強(qiáng)度、高韌性，為超高強(qiáng)度鋼體系和多項(xiàng)重大航空工程做出突出貢獻(xiàn)。

獲國(guó)家級(jí)科技成果獎(jiǎng)5項(xiàng),專著《合金鋼設(shè)計(jì)》。